Tak proč je nebe modré?
Proč je nebe modré? Na tak jednoduchou otázku se těžko hledá odpověď. Mnoho vědců si lámalo hlavu při hledání odpovědi. Nejlepší řešení problému navrhl asi před 100 lety anglický fyzik Lord John Rayleigh.
Slunce vyzařuje oslnivě čisté bílé světlo. To znamená, že barva oblohy by měla být stejná, ale stále je modrá. Co se stane s bílým světlem v zemské atmosféře?
Bílé světlo je směsí barevných paprsků. Pomocí hranolu můžeme vytvořit duhu.
Hranol rozděluje bílý paprsek na barevné pruhy:
■Červené
■oranžový
■ Žlutá
■ Zelená
■ Modrá
■ Modrá
■ Fialová
Spojením těchto paprsků opět tvoří bílé světlo. Dá se předpokládat, že sluneční světlo se nejprve rozloží na barevné složky. Pak se něco stane a na povrch Země dosáhnou pouze modré paprsky.
Tak proč je nebe modré?
Existuje několik možných vysvětlení. Vzduch obklopující Zemi je směsí plynů: dusíku, kyslíku, argonu a dalších. V atmosféře je také vodní pára a ledové krystalky. Prach a další malé částice jsou suspendovány ve vzduchu. V horních vrstvách atmosféry je vrstva ozónu. Mohl by to být důvod? Někteří vědci věřili, že molekuly ozónu a vody pohlcují červené paprsky a přenášejí modré. Ukázalo se ale, že v atmosféře prostě není dostatek ozónu a vody, aby zbarvily oblohu do modra.
V roce 1869 Angličan John Tindall naznačil, že prach a další částice rozptylují světlo. Modré světlo se rozptyluje nejméně a prochází vrstvami takových částic, aby se dostalo na zemský povrch. Ve své laboratoři vytvořil model smogu a nasvítil ho jasným bílým paprskem. Smog se zbarvil do sytě modré. Tindall usoudil, že pokud bude vzduch absolutně čistý, světlo by nic nerozptylovalo a my bychom mohli obdivovat jasně bílou oblohu. Lord Rayleigh také podporoval tuto myšlenku, ale ne na dlouho. V roce 1899 zveřejnil své vysvětlení:
Je to vzduch, ne prach nebo kouř, co barví oblohu do modra.
Hlavní teorie o modré barvě oblohy
Část slunečních paprsků prochází mezi molekulami plynu, aniž by se s nimi srazila, a dopadá na zemský povrch beze změny. Druhá, větší část je absorbována molekulami plynu. Když jsou fotony absorbovány, molekuly se excitují, to znamená, že se nabijí energií a poté ji emitují ve formě fotonů. Tyto sekundární fotony mají různé vlnové délky a mohou mít jakoukoli barvu od červené po fialovou. Rozptýlí se do všech směrů: k Zemi, ke Slunci a do stran. Lord Rayleigh navrhl, že barva emitovaného paprsku závisí na převaze kvant té či oné barvy v paprsku. Když se molekula plynu srazí s fotony slunečních paprsků, existuje osm modrých kvant na sekundární červené kvantum.
Jaký je výsledek? Intenzivní modré světlo se na nás doslova valí ze všech stran z miliard molekul plynu v atmosféře. Toto světlo má přimíchané fotony jiných barev, takže není čistě modré.
Proč je tedy západ slunce červený?
Ne vždy je však obloha modrá. Přirozeně vyvstává otázka: pokud celý den vidíme modrou oblohu, proč je západ slunce červený? Červená barva je nejméně rozptýlena molekulami plynu. Při západu slunce se Slunce přibližuje k obzoru a sluneční paprsek směřuje k zemskému povrchu nikoli svisle jako ve dne, ale pod úhlem.
Cesta, kterou urazí atmosférou, je proto mnohem delší než cesta, kterou urazí během dne, kdy je Slunce vysoko. Z tohoto důvodu je modro-modré spektrum absorbováno v silné vrstvě atmosféry a nedosahuje Zemi. A delší světelné vlny červenožlutého spektra dosahují povrchu Země a barví oblohu a mraky do červených a žlutých barev charakteristických pro západ slunce.
Vědecké vysvětlení
Výše jsme uvedli odpověď v relativně jednoduchém jazyce. Níže budeme citovat zdůvodnění pomocí vědeckých termínů a vzorců.
Výňatek z Wiki:
Důvod, proč se obloha jeví jako modrá, je ten, že vzduch rozptyluje krátkovlnné světlo více než světlo dlouhovlnné. Intenzita Rayleighova rozptylu, způsobená kolísáním počtu molekul vzdušných plynů v objemech úměrných vlnovým délkám světla, je úměrná 1/λ 4, λ je vlnová délka, tj. fialová část viditelného spektra je rozptýlena přibližně 16krát intenzivnější než červená. Protože modré světlo má kratší vlnovou délku, na konci viditelného spektra je rozptýleno více do atmosféry než červené světlo. Díky tomu má oblast oblohy mimo směr Slunce modrou barvu (ale ne fialovou, protože sluneční spektrum je nerovnoměrné a intenzita fialové barvy v něm je menší, a také kvůli nižší citlivosti oka na fialovou barvu a větší citlivost na modrou, která dráždí nejen citlivé na modré čípky na sítnici, ale i citlivé na červené a zelené paprsky).
Během západu a svítání se světlo šíří tečně k zemskému povrchu, takže dráha, kterou urazí světlo v atmosféře, je mnohem delší než ve dne. Kvůli tomu je většina modrého a dokonce i zeleného světla rozptýlena přímým slunečním světlem, takže přímé světlo slunce, stejně jako mraky, které osvětluje, a obloha blízko obzoru jsou zbarveny červeně.
Pravděpodobně s jiným složením atmosféry, například na jiných planetách, může být barva oblohy, a to i při západu slunce, odlišná. Například barva oblohy na Marsu je červenorůžová.
Rozptyl a absorpce jsou hlavními důvody oslabení intenzity světla v atmosféře. Rozptyl se mění jako funkce poměru průměru rozptylující částice k vlnové délce světla. Když je tento poměr menší než 1/10, dochází k Rayleighovu rozptylu, ve kterém je koeficient rozptylu úměrný 1/λ 4 . Při větších hodnotách poměru velikosti rozptylujících částic k vlnové délce se zákon rozptylu mění podle rovnice Gustava Mieho; když je tento poměr větší než 10, jsou zákony geometrické optiky aplikovány s dostatečnou přesností pro praxi.